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详解工业相机和镜头选取

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绝地武士 发表于 2021-3-10 14:41:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
01 什么是工业相机
刚入门3D视觉,第一次接触到工业相机的时候,对,一般来说工业相机长这个样子:

图1

图1

图1 常见工业相机外观
一问价格,至少都是大几千,贵的在十几万,心里就不禁有疑问,就这么一个破相机,为啥就卖这么贵?它跟我们常见的单反相机有什么区别?我用单反相机来拍,色彩又好,成像又清晰,它不香吗?为啥一定要用工业相机?

图2

图2

图2 常见单反相机外观
咋一看,单反相机块头这么大、工业相机块头这么小,工业相机明显在坑人啊!诚然,由于工业相机需求量和产量的缘故,工业相机的研发、制造总成本会远远高过消费级单反相机,这也是它价格更为昂贵的原因,但我们这里一定要明白一个概念:
工业相机,不能简单地理解为工业上用的相机,它是有特殊用途一类相机。

特殊用途:什么叫特殊用途,比如说我们3D重建算法,对相机的畸变要求尽量小,在某些恶劣场合,需要用到IP67级防水相机、拍摄原子弹爆炸前几微秒内原子弹内部的场景,这类专门的相机可以称为高速相机,这些相机都可以称为工业相机。而相反的,你认为工厂里监控摄像头,尽管它部署在工厂里的每个角落,但你能认为它是工业相机吗?

02 工业相机与单反相机的区别
事实上,工业相机相比较一般的单反相机,区别还是很大的,概括下来大致有以下4个方面:
1.配备专门软件开发工具包(Software Development Kit,SDK),我们可以通过代码设置包括:曝光时间、触发方式、图像分辨率、成像帧率等等一系列相机参数(下面是某款相机 SDK 的图像界面)。

图3

图3

图 3 FlyCapture SDK 采集图像界面
2.成像精准:一般来说,工业相机的图像传感器是逐行扫描的,而普通传感器是隔行扫描的,前者生产工艺更为复杂,成品率低、出货量少,世界上只有少数公司能够提供这类产品。此外,工业相机的畸变、色彩还原准确度往往更好,而单反相机追求的是要拍的好看。
3.稳定性和可靠性:工业相机的性能稳定可靠、易于安装,结构紧凑结实不易损坏,连续工作时间长,可在较差的环境下工作,这是单反相机做不到的。
例如一些工业相机被安装在工业检测生产线上,负责产品的视觉测量、缺陷筛查等工作,这就要求相机在流水线常年连续运转过程中保证不出故障,否则会导致生产线停摆甚至瘫痪,这对企业来说意味着难以挽回的经济损失。

4.        特殊用途
–严苛场景:比如某些在航空上用的相机,其工作温度范围就要求:-40℃~85℃;
–成像速度:拍摄汽车碰撞、原子弹爆炸的高速相机;
–光谱范围:比如测量钢炉内铁水温度的红外相机;
除此之外,工业相机一般来是黑白的,主要是为了保证曝光充足、成像准确。至于价格,我认为不是区分工业相机和单反相机主要的因素,还是得看具体相机的型号,消费级市场也有大十几万的设备。

03  工业相机的接口
工业相机的接口主要有三种类型:

图4

图4

图 4 工业相机的接口

• 镜头接口:固定相机跟镜头,也称为卡口;
• 数据接口(控制):传输拍摄到的相机数据(控制相机);
• 电源接口(控制):提供相机电源(控制相机);
有时候,数据口和电源口也会放一起,某个接口既能提供数据传输又能提供相机电源,随着时代的变化,这类即插即用的工业相机越来越普遍。
这里所谓的即插即用,并不是说插上去就能用,而是在安装相应的驱动后,我们通过 SDK 可以进行调用,区别与某些接口相机需要自己去写底层驱动以及相应图像处理算法。

3.1 镜头接口
通常来说,我们买到的工业相机是不带镜头的,就像下面这样:

图5

图5

图 5 不带镜头的工业相机

常见的工业相机镜头接口包括:C、CS、M42、M50、F、V、T2 等等,接口类型的不同和工业相机镜头性能、质量并无直接关系,仅仅是接口方式不一样,一般来说,我们也能找到各种常用接口之间的转接口。下面简要地介绍下这些接口。
最简单的,你记住什么相机接口对什么相机镜头即可。

1)C、CS 接口
相机镜头的 C、CS 接口非常相似,它们的接口直径、螺纹间距都是一样的,仅仅是法兰距不同。C 接口的法兰距是 17.5mm,CS 接口的法兰距是 12.5mm。因此对于 CS 接口的相机,如果想要接入 C 接口的镜头,只需要一个 5mm 厚的 CS-C 转换环即可。两个接口与转换环的实物如下所示:

图6

图6

图 6 工业相机 C 接口和 CS 接口实物(图中 CS 接口相机已转接为 C 接口)
法兰距:也叫做像场定位距离,是指机身上镜头卡口平面与机身曝光窗平面之间的距离,即镜头卡口到感光元件(一般是 CMOS 或 CCD)之间的距离。
注意,法兰距不同,即便装上也无法清晰对焦和成像。


2)M 系列
M12 接口,这个接口对应的数字 12,指的是接口直径是 12mm。由于直径较小,这类接口往往用在微小工业相机上,如无人机上搭载的相机一般用的这类镜头,如下所示:
7.jpg
图 7 M 系列接口
而 M42、M58 接口更大,往往用在大靶面的工业相机、甚至线扫相机上。这类接口直接通过螺纹连接到相机上,连接较为方便。

3)卡扣系列
对于卡扣系列,主要有两种:佳能的 EF 接口和尼康的 F 口,这个接口也在它们家单反中使用,两者的差别在于法兰距不同,F 口的法兰距大于 EF 口,在工业相机领域,尼康的 F 接口也更为常见一点。实例如下:
8.jpg
图 8 卡扣系列接口

4)常见镜头接口参数
当然还有其他接口,包括老式的 PK 口、施耐德 V 口、以及其它各种接口等,这些用的倒不多,就不一一介绍了。其实记住一句话,什么相机口对什么镜头口即可了,但这里还是给出常见的镜头接口参数,以便大家参阅:
9.jpg

3.2 数据+电源 接口
常见的数据、电源接口包括 USB、CoaxPress、CameraLink、Gige 接口等,如下所示:
10.jpg
图 9 常见数据+电源 接口[3]

它们的性能指标对比如下:

图11

图11

表 2 常见数据+电源接口对比

简要地解释一下:
• USB2.0、3.0 系列:这类接口的好处是即插即用(虽然这里说是即插即用,但一般工业相机都还是要安装驱动以及相应的 SDK 才能调用的),3.0 的速度达到了 5.0GB,但问题是传输的线路太短,不太适合长距离、大批量工业相机的应用场景(这在大多数化工企业中是这样,相机安装在工厂的各个角落,处理放在主控室)。

• IEEE1394:Apple 公司推出的标准,传输速度介于 USB2.0~3.0 之间(还是比较慢的),传输距离达到了 100m,但是其需要额外的转接头,因此应用也不多。

• GIGE:也就是常说的网口相机,传输速度虽然不高(一般来说也够用了),但是传输距离远,集成方便,配合上千兆路由器,可以实现大规模的工业相机集成,目前工业应用上最为广泛,较为高端的工业相机也大多采用这种配置,唯一的缺点是需要额外的电源供电。

• Cameralink:一种专门的工业级视觉产品使用行业标准,传输速度可以达到 5.44Gbit/s,往往用在之前的一些高速相机上(因为之前 USB2.0、GIGE 这些接口都太慢了),但缺点是需要额外的图像采集卡、价格贵(一条线缆 1000)、而且不好用,要自己去写相机驱动,并且不支持热插拔(会损坏相机!)。

原因:使用这类接口的相机在物理上被硬生生地拆为两部分,相机的厂商只负责相机的制造,而相应的驱动、软件,比如说图像的采集、处理等算法都需要你自己对 CameraLink 采集卡进行编程。

• CiaXPress:速度快、传输距离远,独立供电、价格也便宜,推出来用以取代 Cameralink 接口。这类相机需要额外的接口卡,注意,这里是接口卡!接口卡不同于采集卡,其只是相机采集到的数据的一个中转站,不会对数据做任何处理,其直接将数据存储在主寄存器中。

因为这类相机传输速度较快,如果将拷贝数据的工作交给 CPU 来做的话,CPU 将会消耗大量资源.

需要说明的是,我们选取工业相机型号的时候,接口并不是传输速度越好越好,而是要挑合适的,杀鸡焉用牛刀?那怎么选型呢?我们下一节说!
 楼主| 绝地武士 发表于 2021-3-10 15:04:36 | 显示全部楼层
04  镜头参数
4.1 焦距
1)物理焦距
对于单片凸透镜来说,焦距通常指平行光线经凸透镜汇聚后一点到透镜中心的这段距离,如下所示。通常,这个距离在制造完成后就不可变的,也就是说一块凸透镜的焦距是不会发生变化的。
12.jpg
图 10 单片凸透镜的物理焦距

但现代镜头通常由多片薄透镜组成,如图 11 所示:

图11

图11

图 11 现代相机镜头构成[5]

它们之间的的相对距离可以发生变化,因而物理焦距也可以随之发生变化,这类镜头称为变焦镜头,反之不能发生变化的是定焦镜头。

2)摄影焦距
市面上大多数镜头都是定焦镜头,但是我们常说调焦又是怎么回事呢?不是说定焦镜头吗?定焦怎么能调焦呢?

事实上,这里我们所说的调焦,或者说对焦,其实并不说改变镜头的物理焦距,而是改变像距,即调整成像面和镜头的距离,使得 CCD 上能够清晰成像,这段距离也称为摄影焦距,简称焦距,如下所示:

图12

图12

图 12 镜头的摄影焦距

3)调焦原因
为什么要去调整摄影焦距呢?

我们来看下面这个模型:

图13

图13

图 13 相机清晰成像对焦情况

对于小人头部的 A 点,其从头部发出三个方向的光线,经过镜头汇聚后,汇聚于成像面的 A’点。那么对于 A 点发出其它方向的光线呢?它们也会汇聚于 A 点,因为镜头的形状是经过专门设计的。

这里有两点特殊:
• 同一点发出的各个方向的光线,经过镜头后必定汇聚于同一点;
• 同一平面上的不同点发出的光线,经过镜头后,汇聚于不同点;
对于这个模型,这里可以看出,如果相机镜头跟成像面的距离,也就是焦距不对,那么必然要进行调焦。在实际情况中,在大多数相机中,CCD 是固定不动的,我们通过移动整个镜头离成像面的距离来完成对焦(镜头的物理焦距依然没有发生改变,这也是定焦镜头可以调焦的原理)。
为什么改变物体距相机的距离后,我们要重新进行调焦?

原因如下:即使是同一个高度点,在不同距离上,摄影焦距也是不一样的,因而需要调焦,示意图如下,A1、A2 的摄影焦距显然不一样:
16.jpg
图 14 不同成像距离,摄影距离不同,因而需要调焦

有人又问了,如果发生发生下面这个场景,图像不会混叠吗?A1、A3 好像成像在同一点上,首先 A3 是可以清晰成像的,A1 显然不行。

图15

图15

图 15 不同距离、高度下光路混叠现象
其次,从理论上讲,A1、A3 在 CCD 上就是呈现为同一点,那怎么区分 A1、A3 点呢?拜托,动下脑子,如果有 A3 点,你能看到 A1 点吗?
需要提的一点是,在之后的模型推导中,我们会将整个相机模型简化为小孔成像模型,就像下图这样,这并不会影响我们之后公式推导的准确性。

18.jpg
图 16 简化的相机小孔成像模型
对于上面的理解,这里只要求你大致了解,知道为什么需要调焦就好,因为传统的相机光学真的是门非常复杂、高深的学问,可以讲好久,在这里我跟你讲的还是化简后的相机模型。
简单说,焦距有两种,镜头的物理焦距和摄影焦距,物理焦距一般出厂后就固定了,我们调整的是摄影焦距,恰当的摄影焦距才能使图像清晰成像。

 楼主| 绝地武士 发表于 2021-3-10 15:37:41 | 显示全部楼层
4.2 景深
前面有个问题,我们知道头顶平面可以清晰成像,那么鼻子的位置就不能清晰成像了吗?

事实上,我们所谓的清晰是一个相对的概念,人眼的分辨能力有限,只要该区域足够小,我们就认为它是清楚的。模型如下所示:
1.jpg
图 17 景深:相机在一段范围内都可以认为是清晰成像的
在b平面前后一定距离范围内,从 a 到 c,我们可以认为成像都是清晰的,这一深度范围称为景深。焦点附近,也就是在景深范围内清晰,而前后方景物都比较模糊,实际的图像如下:
2.jpg
图 18 景深范围内清晰,范围外模糊

4.3 光圈
光圈大小是用 f 值来刻画的,意思是开了几分之几,影响镜头的进光量。光圈值为 f/2.0,意思是开了 1/2,常见的光圈值如下所示:
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图 19 镜头光圈大小
光圈的大小除了影响进光量外,也会影响景深,简单说:光圈越大,景深越小。
4.jpg
图 20 光圈影响景深原理图
较大的光圈意味着更大的进光量,有利于弱光环境下拍摄,一般来说,镜头越亮约好,但是大光圈镜头也意味着景深不够。

4.4 常见镜头标识
关于工业相机中常见的镜头标识大致如下:
5.jpg
图 21 镜头常见标识
还有一些镜头标识,当你看到了不认识,请百度一下!因为有时候我也会不认识上面的标志。
 楼主| 绝地武士 发表于 2021-3-10 15:41:14 | 显示全部楼层
05 相机参数
关于相机的参数就简单多了,下面简要叙述:
• 分辨率
相机每次采集图像水平和竖直方向的像素点数,对应于 CCD 水平和竖直方向排列的感光元的个数,常见的分辨率有:1920 × 1080。
• 像元大小
单个像素的物理尺寸大小,一般来说,像元尺寸越小,制造难度越大,图像质量也越不容易提高。目前工业数字相机像元尺寸一般为 3~4 。
• 靶面尺寸
通常厂家会告诉你实际 CCD 的靶面尺寸,其并不完全等于分辨率 × 像元大小,常见的相机靶面尺寸查询:http://shixinhua.com/camera/2012/06/7.html
像元大小和像元数(分辨率)两者共同决定相机靶面的大小,是此消彼长的关系,所以我们选择相机的时候也并不是分辨率越高越好,而是挑选合适的分辨率。
• 像素深度
每个像素的位数,含义如下,比如说一副灰色图像的像素深度为 8 bit,那么意味着它有
28 = 256 级灰度(对于三通道的彩色图像来说,意味着28 × 28 × 28 = 224 种颜色)。常见的像素深度有 8、10、12 bit。像素深度过浅,会使图像看起来不自然。而增加像素深度可以增加测量的准确性,但是也会降低系统的速度,并且提高系统集成的难度。
知道了像素深度概念,你就能明白为什么大多数工业相机都是黑白相机了吧?
• 最大帧率/行频
相机采集和传输图像的速度,一般来说有两种类型相机:
–面阵相机:每秒采集的帧数(Frames/Sec);
–线阵相机:每秒采集的行数(HZ);
• 曝光方式
–线阵相机:逐行曝光,有固定行频和外触发同步形式;
–面阵相机:帧曝光、场曝光、滚动曝光等形式,也提供外触发同步形式;
所谓外触发同步,指的是外部给一个信号,相机即开始拍摄图像。
• 曝光时间
也称为快门速度,指从快门打开到关闭的时间间隔,在这一段时间内,物体可以在底片上留下影像。曝光时间 × 快门速度共同决定了曝光量。曝光时间不能设置太长,其会增加照片的底噪,也不能设置太短,会导致曝光不足,要看需要而定:在暗光条件下,比如说拍星星,曝光时间就要设置几个小时。而在亮光情况下,拍摄运动的汽车,曝光时间就不能设置太长,否则会行成残影。
• 光谱响应特性
指传感器对不同光波的敏感特性,一般来说,响应范围都在 350nm~1000nm 间。有的相机在靶面前面会增加一个滤镜,滤除红外线,如果系统需要多红外光感应,可以去除该滤镜。
•信噪比
相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值,代表了图像的质量,图像信噪比越高,相机性能和图像质量越好。

 楼主| 绝地武士 发表于 2021-3-10 15:52:38 | 显示全部楼层
06  相机和镜头选取
下面这些参数,主要用在相机、镜头选取的计算中:
• 工作距离(Working distance, WD):镜头最外端到被测物体距离。
• 视场范围(Field of View, FV):实际拍摄到区域尺寸。
• 视场角(Angle of View, FOV):影响理论视场范围。
1.jpg
图 22 视场角和视场范围关系
2.png
• 光学放大倍数(Magnification, B):芯片尺寸除以视野范围;
2.jpg
图 23 光学放大倍数

下面我们来讲一些主要参数的选取:
1. 相机
–CCD or CMOS
CCD 提供更好的图像质量、抗噪能力,CMOS 体积更小,但噪声会更多一点。当然,这不是绝对的,还是钱决定的。
–CCD 尺寸
有钱的话,尽量买大一点的。
–合适的分辨率
对于视野范围为 300 × 300 ,要求测量精度为 0.2 ,那么横/竖放下的分辨率至少为300/0.2 = 1500 像素,通过我们不会用一个像素对应一个测量精度,一般选择倍数为 4、甚至更高,这样相机单方向的分辨率为 6000,相机的分辨率:6000 × 6000 = 3600 万。
这也是为什么结构光系统视野范围大则测量精度低的原因。

–足够的相机帧率
当被测物体有运动要求,相机的帧率不能太低,对于一些高速运动的物体,可以选择

2. 镜头
–镜头接口:
跟相机接口匹配,也可以外加转换口后匹配,并且镜头可支持的最大 CCD 尺寸应大于选配相机 CCD 尺寸大小。

–镜头焦距
根据相机 CCD 尺寸、工作距离、视场大小(物体的高/宽)计算所需镜头的焦距,如下:
3.jpg
图 24 根据 CCD 尺寸、工作距离、视场大小计算所需的镜头焦距

–镜头光圈范围
光圈大小决定图像亮度,在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中,应选用大光圈镜头以提高图像亮度。

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